Измерение частичных разрядов как источник данных для управления кабельной сетью

В докладе рассматриваются новые возможности управления ключевым элементом энергосистемы — кабельной сетью. Они создаются благодаря оценке технического состояния кабелей путём диагностики частичных разрядов при затухании напряжения переменного тока.

ВСТУПЛЕНИЕ
Для управления активами требуется сбор самой подробной информации о конкретных объектах. После сбора, анализа и распределения эта информация становится чрезвычайно важной составляющей всего процесса управления активами. Это касается и одного из ключевых элементов — кабельной сети. Как производители кабелей, так и пользователи заинтересованы в высокой надёжности электрической сети. Они несут ответственность за производство и продажу кабеля высокого гарантированного качества. Однако для оценки реального качества кабеля и арматуры может оказаться очень полезным анализ статистических данных. Для этого необходимо провести длительное комплексное исследование, чтобы систематизировать данные и получить достоверные заключения. Исследование должно быть проведено для кабельных линий всех классов напряжения [1, 2]. В свою очередь пользователи кабеля несут ответственность за правильность прокладки кабельной линии, поддержание её КПД, а также проведение необходимых диагностических проверок, которые позволяют оценивать повреждения кабеля при перевозке, диагностировать любые механические повреждения и ошибки сборки при прокладке новой линии, а также контролировать техническое состояние кабельной линии после устранения эксплуатационных повреждений.
Другое исследование нацелено на поддержание высокой технической надёжности электрической сети посредством профилактического устранения потенциальных дефектов [3].
Современные IT-системы и системы измерения обеспечивают сбор данных с целью более совершенной оценки технического состояния линии. Несомненно то, что среди новых способов получения данных будет диагностика на основе измерения частичного разряда (ЧР). Этот метод позволяет получить набор уникальных данных, который описывает техническое состояние изоляции конкретных элементов кабельной линии, а также даёт возможность заменить существующие методы управления кабельной сетью на новый, более эффективный с технической и экономической точек зрения [4].

ИЗМЕРЕНИЕ ЧР В КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ КАК НОВЫЙ ИСТОЧНИК ДАННЫХ
За последние десятилетия развитие IT-систем и новых технологий позволило построить мобильные системы, обеспечивающие выполнение натурных испытаний на ЧР в кабельной сети среднего напряжения.
Распределительная энергокомпания ENERGA-OPERATOR SA, отделение Elblag, измеряет ЧР в кабельной сети при помощи измерительной системы OWTS-25 производства SEBA KMT. Измерение выполняется на новых, лишь недавно введённых в эксплуатацию кабельных линиях, на давно эксплуатирующихся линиях, а также на линиях, введённых в эксплуатацию после ремонта. С профилактической целью проверяются также исправные линии, находящиеся в эксплуатации.

На рис. 1 показана упрощённая схема системы измерения OWTS-25 [5]. Затухающее напряжение переменного тока используется в качестве испытательного. Оно возникает в результате зарядки испытуемого кабеля постоянным напряжением с последующей разрядкой через индукционную катушку с постоянной индуктивностью. Частота импульсных перенапряжений зависит от длины кабеля (ёмкости) и на практике оказывается в диапазоне от 100 до 800 Гц. Система реагирует на перенапряжение, созданное ЧР (q₁ и q₂ на рис. 1). Измеренная выдержка времени между двумя перенапряжениями и известная длина кабеля позволяют определить место возникновения разряда [5, 6]. Здесь измерение добавляет к известным характеристикам кабельной сети среднего напряжения новый параметр — распределение ЧР по длине проверяемой кабельной сети.

Ниже перечислены самые важные параметры, получаемые при анализе результатов измерения:
• напряжение возникновения ЧР. Эта величина приложенного (испытательного) напряжения, на котором в проверяемой кабельной сети наблюдается первый ЧР. Она определяется в процессе измерения путём постепенного увеличения испытательного напряжения. OWTS позволяет увеличивать напряжение с шагом 0,1 U_o;
• среднее и максимальное значения уровня ЧР на напряжении U_inc. Произвольный заряд импульса ЧР равен заряду, введённому в очень короткий промежуток времени между накладными скобами проверяемого объекта, при этом показание измерительного прибора равно проверочному импульсу ЧР. Произвольный заряд измеряется в пикокулонах (pC) [7];
• среднее и максимальное значения уровня ЧР при U_o. Частота возникновения ЧР на испытательном напряжении, значение которого задано оператором на время пошагового увеличения напряжения до Uo. Этот параметр указывает максимальное число разрядов, возникших на определённом уровне испытательного напряжения. Он определяется как для конкретных элементов кабельной сети, так и для всего кабеля;
• среднее и максимальное значения уровня ЧР между U_o и 2U_o;
• частота возникновения ЧР на испытательном напряжении в диапазоне между U_o и 2U_o;
• схемы распределения разряда по длине кабеля. Система создаёт качественные и количественные схемы распределения разряда по длине кабеля. Такие схемы используются впоследствии при обсуждении других примеров измерений;
• анормальные процессы на отрезках кабеля на определённом уровне ЧР и число ЧР на испытательном напряжении до U_o и в диапазоне с U_o до 2U_o. Увеличение ЧР в конкретном фрагменте отрезка кабеля, а также значительное отклонение от уровня разрядов, наблюдаемых в другой части участка кабельной сети, расценивается как анормальный процесс. Этот параметр не задаётся автоматически в процессе анализа результатов измерений. Это делается оператором, выполняющим такой анализ, на основе полученных схем распределения заряда по длине кабеля.

ПРИМЕРЫ ИЗМЕРЕНИЙ КАБЕЛЯ

Для иллюстрации возможностей, создаваемых диагностикой, ниже приведены два примера. Первый пример демонстрирует возможность управления качеством монтажных работ, второй — применение результатов анализа ЧР (поддержка принятия оперативных решений).

Пример 1
Линия XRUHAKXS, кабель сечением 120 мм², длиной 515 м, состоящий из двух отрезков (360 м + 155 м). Перед вводом кабеля в эксплуатацию было проведено испытание напряжением и измерена герметичность защитной оболочки. Результаты были положительные. Учитывая тот факт, что процесс прокладки кабеля полностью контролировался эксплуатационным персоналом распределительной компании и монтаж фитинга выполнялся высококвалифицированными опытными рабочими, можно было предположить, что линия оказалась совершенно исправна.
Однако при измерении ЧР был обнаружен дефект — высокий уровень разрядов на стыке в точке 360 м кабеля в фазе L3.
ЧР возникали на стыке двух отрезков кабеля. Это свидетельствовало о наличии дефекта соединительных кабельных муфт в фазе L3. ЧР, возникавшие так же часто, как и на напряжении U_o, означают скорый отказ в рабочем режиме сети. На основании пояснений, данных установщиком кабельных муфт, была определена наиболее вероятная причина повреждения. Выяснилось, что во время установки соединительной гильзы не была смонтирована защитная изоляционная прокладка. Кабельная линия была построена в 2005 году, и с тех пор плановые проверки проводились каждые 3 года. В течение этого периода не было зафиксировано ни изменения (увеличения) числа разрядов, ни повреждений кабеля. Можно предположить, что процесс старения изоляции развивается очень медленно. Чтобы подтвердить правильность изысканий, в высоковольтной лаборатории Технологического университета г. Познань было проведено дополнительное исследование (отрезок, содержащий неисправный стык, был удалён). Оно было выполнено на оборудовании производства компании James G.Biddle Co (рис. 2). Исследование подтвердило прежние предположения, полученные с помощью оборудования OWTS.

В лабораторных условиях удалось зарегистрировать разряды мощностью в несколько десятков рС (при натурных испытаниях можно зарегистрировать разряды до нескольких сотен рС). На таких величинах первичное напряжение разряда было значительно ниже U_o (4 кВ).

Пример 2
Кабельная линия, состоящая из двух отрезков кабеля разного типа. Один кабель — с бумажной изоляцией, обозначенный HAKnFtA, сечением 70 мм² и длиной 340 м. Другой кабель — XRUHAKXS, с изоляцией из сшитого полиэтилена, сечением 120 мм², длиной 75 м. На напряжении U_o в кабеле имеются два отрезка с повышенным уровнем разряда (200—220 м и 260—290 м). Линия повредилась в районе 270 м. На основе собранной информации было принято решение заменить участок кабеля с повышенным уровнем ЧР с 260 по 290 м (предупредительные меры не ограничились простым фиксированием точки, подлежащей ремонту). Разряда на заменённом участке кабеля нет, т.е. потенциальная причина обрыва кабеля была устранена.

СОВЕРШЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАБЕЛЬНОЙ СЕТЬЮ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
В настоящее время распределительные энергокомпании не ограничиваются только эксплуатацией кабельной сети, они также разрабатывают политику управления активами. Управление активами — это концепция, позволяющая принимать самые правильные решения для оптимального использования имеющегося у компании оборудования, извлечения максимальной прибыли в течение всего жизненного цикла с соблюдением требований по безопасности и готовности [8].
Для разработки эффективной системы необходимо огромное количество информации о сетях, а также об их правильном управлении. Диагностика на основе измерения ЧР может стать важным источником информации о кабельных линиях среднего напряжения. Приведённые выше примеры показывают новые многообещающие возможности. Информация, собранная при измерении ЧР, должна использоваться в управлении активами наряду с другой имеющейся информацией. Собранные, сохранённые, разработанные и эффективно используемые данные могут дать компании конкурентные преимущества [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изменения в подходе к управлению кабельной сетью среднего напряжения требуют применения дополнительных инструментов для диагностики технического состояния сети.

Данные, собранные при анализе результатов измерения ЧР, очень важны для управления этим активом. Сбор и совместное использование таких данных позволяет снизить стоимость за счёт:
• сокращения эксплуатационных расходов вследствие уменьшения числа повреждений. Мониторинг процесса старения отдельных элементов кабеля позволяет принимать решения по профилактическому обслуживанию (замене участков с повреждённой изоляцией до возникновения аварии);
• повышения качества производства новых кабельных линий. Метод измерения позволяет выявить ошибки при прокладке линий и производственные дефекты, которые прежде не выявлялись, и, тем самым, устранить их;
• ограничения инвестирования через выставление приоритетов и определение оптимального объёма работ. Отдельные инвестиции и ремонты можно отложить, если знать состояние изоляции каждого элемента сети (мониторинг жизненного цикла кабельной линии).

Благодаря диагностике кабеля на основе измерения ЧР в управлении кабельной сетью среднего напряжения должны быть реализованы новые возможности [9].
Наиболее важными элементами в новом управлении активами кабельной сети являются следующие:
• диагностика на основе измерения ЧР при типовых испытаниях кабельной линии;
• обновление IT-системы для регистрации и анализа данных по кабельным участкам и арматуре, полученным после анализа результатов измерений ЧР;
• разработка системы оценки состояния кабелей по диагностике ЧР, а также другой технической информации о сети среднего напряжения, собранной в компьютерных системах;
• организационные изменения в компании с целью управления сетью среднего напряжения на основе собранной информации;
• реализация системы распределения данных по кабельной сети среднего напряжения и мониторинг оптимального использования данных.

Чтобы реализовать возможности диагностики, необходимо сформулировать правила оценки и определить стандарты для конкретных элементов и типов кабельных линий. Отделение Elblag компании ENERGA-OPERATOR SA совместно с Технологическим университетом г. Познани в настоящее время проводят исследование и анализ результатов измерений с целью разработки таких правил оценки. Опыт, полученный при дальнейшем изучении вопроса, позволит сформулировать эти правила [9].

Работа финансируется Министерством науки и высшего образования Польши как научно-исследовательский проект № 0583/В/Т02/2007/33.

ЛИТЕРАТУРА
1. R.A. Jongen, J. Smith, A. Janssen, E. Gulski, 2007, “Evaluation of Replacement Strategy of MV Cable Joint Based on Statistical Failure Analysis” («Определение стратегии замены кабельной муфты среднего напряжения на основе статистического анализа отказов»), JICABLE, Versailles, paper B1.2, 318–321.
2. E. Gulski, J. Smith, F. Wester, 2005, “PD Knowledge Rules for Insulation Condition Assessment of Distribution Power Cables” («Данные о частичных разрядах для оценки состояния изоляции распределительных кабелей»), IEEE TDEI, vol.15, 223– 239.
3. A. Rakowska, K. Hajdrowski, 2003, “The Management of Power Cable Network Operation (Zarzadzanie eksploatacja kablowych linii elektroenergetycznych)”, Przeglad Elektrotechniczny, nr.1, 182–185.
4. F. Petzold, M. Beisert, E. Gulski, 2007, “Experience with Offline PD-diagnosis on MV Cables – Knowledge Rules for Asset Decisions” («Опыт диагностики частичных разрядов на кабелях среднего напряжения – Данные для принятия решений по активам»), JICABLE, Versailles, paper C7.2.5, 818–821.
5. F. Wester, 2004, Condition Assessment of Power Cables using Partial Discharge Diagnosis at Damped AC Voltages (Оценка состояния силовых кабелей с помощью диагностики частичных разрядов на затухающем напряжении переменного тока), Optima Grafische Communicatie, Rotterdam, Holland, 66–70.
6. E. Gulski, 2003, Diagnozowanie wyladowan niezupelnych w urzadzeniach wysokiego napiecia w Eksploatacji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warsaw, Poland, 103–112.
7. PN-EN 60270, 2003, “Wysokonapieciowa technika probiercza. Pomiar wyladowan niezupelnych”, PKN 8. E. Gulski, J. Smith, J. Maksymiuk, 2004, Zarzadzanie zasobami sieci elektroenergetycznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warsaw, Poland, 16–18.
9. S.Noske, 2007, “Udoskonalanie procesu zarzadzania sieciami kablowymi SN poprzez wykorzystanie diagnostyki opartej o pomiar wyladowan niezupelnych”, VI Konferencja Elektroenergetyczne Linie Kablowe Stan Obecny, Nowe Techniki.